戴相昆，王運(yùn)來，徐壽平，鞠忠建，葛瑞剛，解傳濱，鞏漢順

解封軍總醫(yī)院放射治療科，北京，100583

螺旋斷層放射治療機(jī)MVCT 影像質(zhì)量的測量分析

【作 者】戴相昆，王運(yùn)來，徐壽平，鞠忠建，葛瑞剛，解傳濱，鞏漢順

解封軍總醫(yī)院放射治療科，北京，100583

目的 分析螺旋斷層放射治療MVCT的影像質(zhì)量。方法 用CatPhan600體模測量測試MVCT值均勻性和線性、影像噪聲、空間分辨率，低對比度和幾何精確性，分析螺距對圖像質(zhì)量的影響，并對影響圖像質(zhì)量的因素進(jìn)行討論。結(jié)果 MVCT影像CT值成線性分布，但是和參考CT值有一定的差別,均勻性較好，空間分辨率為4Lp/cm，低對比度分辨率差于診斷CT和錐形束CT,但可以滿足圖像引導(dǎo)的要求，幾何準(zhǔn)確性較好，圖像無明顯形變發(fā)生。 結(jié)論 MVCT影像質(zhì)量不如常規(guī)診斷CT，但圖像質(zhì)量可以滿足臨床治療中的影像引導(dǎo)的要求。

影像引導(dǎo)放射治療；螺旋斷層放射治療機(jī)MVCT；影像質(zhì)量

螺旋斷層放射治療機(jī)是一種集調(diào)強(qiáng)放射治療和影像引導(dǎo)放射治療于一體的新型治療設(shè)備，是直線加速器和螺旋掃描CT機(jī)的結(jié)合。它采用MV級扇形束射線在治療前或治療中獲取CT圖像，用于治療前和治療中患者體位的驗證，獲取更詳細(xì)的解剖信息，并可根據(jù)CT探測器重建患者接受劑量。影像質(zhì)量是影像引導(dǎo)設(shè)備的重要技術(shù)指標(biāo)，并對臨床應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響。測量和分析HI-ART II 斷層放射治療機(jī)的影像質(zhì)量是QA和QC的重要內(nèi)容。本文利用CatPhan600模體測量分析螺旋斷層放射治療機(jī)MVCT的影像質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 螺旋斷層放射治療機(jī)的MVCT

HI-ART II 斷層放射治療機(jī)CT圖像的獲取使用GE環(huán)形充氙氣體電離室,共有738個通道，其中540個用于MVCT成像，其他用于測量本底。每個通道用25.4 mm長和0.32 mm厚的鎢片分隔成兩個空腔，空腔內(nèi)為氙氣，其氣壓約為5個大氣壓。電離室通道之間的間隔為1.21 mm。收集每個電離室通道兩個空腔產(chǎn)生的電荷量形成探測信號。源到探測器的距離為145 cm，源到等中心的距離為85 cm。視野大小由多葉準(zhǔn)直器葉片的寬度決定，葉片在等中心的最大投影寬度為40 cm，MVCT的FOV為40 cm。探測器陣列的曲率半徑為110 cm。[3]

螺旋斷層治療機(jī)MVCT其能量由6 MV可調(diào)制至3.5MV，鉛門長度為4 mm，等中心處射野寬度為400mm。當(dāng)患者穿過治療機(jī)孔徑時，籍機(jī)架連續(xù)旋轉(zhuǎn)獲取患者的MVCT圖像。斷層放射治療機(jī)MVCT掃描時的能量和強(qiáng)度是固定的，可調(diào)參數(shù)為螺距比。螺距比的定義為射野在等中心處的長度與機(jī)架每旋轉(zhuǎn)一圈時治療床前進(jìn)的距離的比值。螺旋斷層治療機(jī)MVCT共有三種掃描模式，分別為Fine、Normal和Coarse，對應(yīng)圖像層厚分別為2 mm、4 mm、6 mm，對應(yīng)的螺距為1、1.6、2.4。數(shù)據(jù)獲取后影響圖像質(zhì)量的主要參數(shù)是像素大小。HI-ART II 斷層放射治療機(jī)采用512×512像素矩陣。[3]

1.2 測量體模

我們使用的Catphan600體模由CTP404、CTP528和CTP486等3個影像測試模塊串聯(lián)組成。其中CTP404直徑為150 mm,厚度為25 mm，在水平和垂直方向各嵌有兩條斜角為23o的斜線，8個直徑為125mm的圓柱樣品插件，分別用聚四氟乙烯樹脂（Teflon）、多聚甲基乙烯（PMP）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸樹脂（Acrylic）、聚甲醛樹脂（Delrin）和空氣組成。間距為50 mm的四根聚四氟乙烯樹脂棒，在中間有5個直徑分別為2 mm、4 mm、8 mm、10 mm的丙烯酸樹脂小球。CTP528模塊中嵌有分辨率標(biāo)尺，最高分辨率為21LP/cm，用于測量CT的空間分辨率。CTP486模塊直徑為150 mm，厚度為40 mm，由均勻的水等效材料構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下其CT值與水一致，誤差在2% 之內(nèi)，用于CT值均勻性、 平均值和CT值噪聲的測量。

1.3 影像的獲取

使用AcQsim大孔徑CT掃描Catphan600影像測試模體，圖像使用Dicom3.0格式傳送至Tomotherapy計劃系統(tǒng)，并設(shè)計一個簡單的計劃，將計劃信息輸入到Cluster服務(wù)器中，然后通過加速器控制臺從Cluster服務(wù)器調(diào)出模體信息進(jìn)行掃描。將Catphan600影像測試模體放在加速器治療床上，調(diào)整水平、調(diào)整治療床使模體上的定位標(biāo)記和斷層加速器的綠激光燈位置重合，選取Fine、Normal和Coarse三種模式對模體進(jìn)行掃描。掃描圖像傳送至Tomocon Worksation圖像工作站進(jìn)行分析。

1.4 MVCT值及線性

選取CTP404模塊上已知密度的插件的MVCT圖像的中心層面，調(diào)整圖像的窗寬和窗位，用直徑5 mm的感興趣區(qū)域讀取各插件的像素值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.5 影像噪聲和均勻性

噪聲是根據(jù)CTP486模塊中心層面影像中心處一個大面積（大約200 cm2）ROI像素Hounsfield值（HU）的標(biāo)準(zhǔn)差σCT計算而得。噪聲值用校正后的掃描對比度比率值（CS）占水的有效線性衰減系數(shù)（μwater）的百分比來表示。其公式為：Noise＝（σCT）·CS/ μwater，其中CS＝（μm-μwater /（HUm-HUwater）。μm和HUm為某一材料的線性衰減系數(shù)和成像時的HU值，本研究中選用Acrylic材料。選取CTP486模塊中心層面的MVCT影像，調(diào)整窗寬和窗位，分別在圖像中心和靠近模體邊緣的上下左右方向選取直徑為1 cm的感興趣區(qū)域，讀取每個感興趣區(qū)域的的平均像素值（PV）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）。MVCT的均勻性的定義為最大、最小像素值之差與平均像素值的百分比。[3,5]

1.6 空間分辨率和低對比度分辨率

空間分辨率的主觀測試是掃描CTP528模塊中心層面的分辨率標(biāo)尺，通過目測找出能分辨清楚的線對，從而得出其空間分辨率。低對比度分辨率使用CTP404模塊測量，讀出聚苯乙烯和低密度聚乙烯插件中心的像素平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，其數(shù)值越小表示的對比度分辨率越高。

1.7 幾何精確性

CTP404模塊內(nèi)置有互相垂直、距離已知的4個點，可用于測試MVCT的幾何精確性。選取CTP404模塊中心層面的影像，調(diào)整窗寬和窗位，分別測量設(shè)定的長度和角度，并將測量值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

表1 三種掃描模式的MVCT值Tab.1 MVCT values of different pitch for various materials

2 結(jié)果

2.1 MVCT值及線性

選取感興趣區(qū)域的插件的像素值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，三種掃描模式下不同密度插件的CT值在表1中給出。

使用OriginPro7.5軟件作圖。 MVCT的CT值和樣品插件密度呈線性，如圖1所示，且不同的掃描方式對樣品插件的CT值影響較小。但是與參考CT值有一定的差別，其主要原因是參考CT掃描能量是千伏級，而MVCT掃描能量為兆伏級，各種物質(zhì)的衰減系數(shù)隨能量改變之故。

圖1 MVCT值線性Fig.1 Linearity of MVCT Values

2.2 影像噪聲和均勻性

MVCT圖像噪聲的測量結(jié)果在表2中給出，它是準(zhǔn)直器螺距和重建矩陣的函數(shù)。結(jié)果表明MVCT圖像噪聲比常規(guī)CT稍差，并且隨著螺距的增加而略微增加。

選取感興趣區(qū)域并讀取HU值和標(biāo)準(zhǔn)偏差時，我們發(fā)現(xiàn)模體周圍4個感興趣區(qū)域的均勻性較好，而中心感興趣區(qū)域的HU值和標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯高于周邊區(qū)域。其主要原因是成像的能量較高，穿射能力強(qiáng)，中心區(qū)域重建偽影較大，因此本文在計算均勻性時未考慮中心區(qū)域。由MVCT的均勻性計算公式可以得出螺距分別為1、1.6、2.4對應(yīng)的均勻性分別為2.1%、2.3%、3%，圖像均勻性較好，螺距的改變對均勻性無明顯影響。

2.3 空間分辨率和低對比度分辨率

調(diào)整CTP528模塊中心層面成像的窗寬窗位得到如圖2所示的圖像，通過目測我們得出三種掃描方式MVCT的空間分辨率為4 Lp/cm，Pitch值的改變不影響MVCT圖像橫斷面空間分辨率。通常診斷CT的空間分辨率為8 Lp/cm，錐形束CT的空間分辨率為7 Lp/cm。重建圖像空間分辨率的物理限制是X線源和探測器大小決定的，超過一定數(shù)目的像素后其空間分辨率不會有提高。HI-ART II 斷層放射治療機(jī)重建圖像采用512×512像素矩陣，采用固定的40 cm的FOV，因此其橫截面像素大小為0.78 mm，而通常診斷CT的重建矩陣為1024×1024，因此加速器螺旋斷層的CT的空間分辨率低于常規(guī)診斷CT。

表2 三種掃描模式的MVCT圖像噪聲Tab.2 Noise characterics of MVCT images as a function of pitch

圖2 MVCT空間分辨率測試Fig.2 Evaluate Spatial Resolution of MVCT images

MVCT成像的最大局限性是低對比度分辨率較差。圖3（a）及3（b）分別為同一層面的 MVCT圖像和KVCT圖像，將兩幅圖像調(diào)整至相同的窗寬窗位，我們可以看出KVCT圖像可以分辨出對比度差別為1%的模體，而MVCT圖像螺距為1、1.6、2.4時的低對比對分辨率分別為2.9%、4.1%、4.2%。

MVCT的低對比度分辨率較差主要原因是掃描能量較高。MVCT與組織相互作用的主要方式是康普頓散射，發(fā)生散射的概率取決于材料的電子密度，而不是原子序數(shù)。由于不同組織之間的電子密度差別相對較小，因此采用MV級射線獲取的圖像的對比度較差。

圖3 MVCT與KVCT圖像的對比度分辨率比較Fig.3 Low Contrast Resolution compared between MVCT and KVCT

3 幾何精確性

表3中給出了幾何參數(shù)的參考值及測量值，結(jié)果表明距離和角度的誤差均在1%以內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)生形變和畸變，說明其成像的幾何準(zhǔn)確性很好，滿足臨床圖像配準(zhǔn)的要求。

表3 MVCT的距離和角度驗證結(jié)果Tab.3 Results of distance and angle’s verification

4 討論

螺旋斷層加速器機(jī)載的MVCT作為放療中一種新型的影像引導(dǎo)設(shè)備，主要用于患者照射前、照射中的位置驗證，也可以用于監(jiān)測整個療程中腫瘤及周邊正常組織形狀位置等的變化，成像質(zhì)量的要求雖然沒有診斷CT高，但是影像質(zhì)量對圖像引導(dǎo)有一定的影響。

螺旋斷層加速器機(jī)載的MVCT圖像質(zhì)量受到掃描能量、機(jī)械設(shè)計、掃描方式和重建算法等因素的影響，圖像特性有別于KVCT 和錐形束CT。使用MV級能量的射線成像，缺點是要求在成像劑量和圖像質(zhì)量中做折中選擇。診斷CT的可調(diào)參數(shù)是kV和mA，而螺旋斷層加速器的MVCT成像的射線能量和強(qiáng)度都是固定的，其影響患者吸收劑量和圖像質(zhì)量的參數(shù)是準(zhǔn)直器寬度和螺距。改變準(zhǔn)直器寬度影響射線能譜，進(jìn)而影響圖像重建所需的卷積核，我們采用的是默認(rèn)準(zhǔn)直器寬度5mm。螺距與成像劑量成反比，螺距越小，成像劑量越高，圖像越精細(xì)。

我們使用Catphan600體模研究了MVCT影像的CT值均勻性和線性、空間分辨率、低對比度和幾何精確性等，結(jié)果表明MVCT影像的CT值均勻性和線性、空間分辨率和診斷CT圖像具有可比性。MVCT影像的幾何精確性較好，而其圖像的低對比度分辨率差于常規(guī)診斷CT，但是對骨組織和軟組織的分辨能力滿足臨床圖像配準(zhǔn)的要求。MVCT影像質(zhì)量的測試結(jié)果表明，這些圖像可以引導(dǎo)臨床治療，但其圖像的劑量計算等特性還需要進(jìn)一步的研究。螺旋斷層加速器機(jī)載的MVCT的成像質(zhì)量穩(wěn)定性受到成像能量、探測器穩(wěn)定性等諸多因素的影響，必須建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腝A和QC程序，定期進(jìn)行測量，保證MVCT的成像設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1] Olivera GH, Shepard DM, Reckwerdt PJ．et al．Maximum likewood as a common computational framework in tomotherapy. Phys Med Biol, 1998, 43(11): 3277-3294．

[2] Forrest LJ, Mackie TR, Ruchala K, et al．The utility of megavoltage computed tomography images from a helical tomotherapy system for setup verification purposes．Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2004, 60: 1639–1644．

[3] Meeks SL, Harmon JF Jr, Langen KM, et al．Performance characterization of megavoltage computed tomography imaging on a helical tomotherapy unit．Med Phs, 2005, 32(8): 2673-2681．

[4] Catphan 500 and 600 Manual,The Phantom Labotratory，2006．

[5] 王運(yùn)來, 戴相昆, 鞠忠建,等．加速器機(jī)載千伏級錐形束CT 的影像質(zhì)量分析．中華現(xiàn)代影像學(xué)雜志，2008，4：327-330．

[6] Tome WA，Jaradat HA，Nelson IA，et al．Helical tomotherapy: image guidance and adaptive dose guidance．Front Radiat Ther Oncol．2007，40：162-78．

[7] Ruchala KJ, Olivera GH, Schloesser EA，et al．Megavoltage CT on a tomotherapy system．Phys Med Biol，1999，44：2597-2621.

[8] Langen KM，Meeks SL，Poole DO，et al．The use of megavoltage CT (MVCT) images for dose recomputations．Phys Med Biol，2005, 50: 4259-4276．

Analysis of Megavoltage Computed Tomography Imaging on a Helical Tomotherapy Unit

【 Writers 】Dai Xiangkun, Wang Yunlai, Xu Shouping, Ju Zhongjian, Ge Ruigang, Xie Chuanbin, Gong Hanshun.
Department of Radiation,PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Image guided radiotherapy; Helical Tomotherapy Unit; Image quality

R812

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.021

1671-7104(2010)06-0458-05

2010-07-16

王運(yùn)來，E-mail:iabcde@163.com

【 Abstract 】Objective To evaluate the image quality of megavoltage computed Tomography imaging. Methods The HU uniformity and linearity, image noise ,spatial resolution, low contrast resolution and spatial linearity in MVCT mode were evaluated with Catphan 600 phantom，and the factor of pitch was also evaluated. In fl uencing factors of image quality were also discussed. Results The MVCT values depended linearly on the physical density of the sample. The MVCT values uniformity was good. The spatial resolution was 4lp/cm.The use of an MV Beam for imaging results in the loss of low contrast resolution, but it is suf fi cient for pretreatment image guidance. The geometric accuracy was good. Conclusions The image quality of MVCT is less than that of KVCT，but is good enough for IGRT.